(57)【要約】【課題】  集光効率の向上をはかり、高感度の固体撮像素子を提供する。製造が容易で高感度の高い固体撮像素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に形成された光電変換部と前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とを備えた撮像部と、前記撮像部上に、平坦化膜を介して形成されたパッシベーション膜と、層内レンズとを具備した固体撮像素子であって、前記層内レンズ２１が、前記パッシベーション膜２０中に形成されたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光電変換部と前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とを備えた撮像部と、
前記撮像部上に、平坦化膜を介して形成されたパッシベーション膜と、層内レンズとを具備した固体撮像素子であって、
前記層内レンズが、前記パッシベーション膜中に形成された固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記層内レンズの周りは、前記層内レンズのレンズ軸上の高さとほぼ同一高さとなるように形成された固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体撮像素子であって、
前記パッシベーション膜および前記層内レンズは、窒化シリコン膜で構成された固体撮像素子。
【請求項４】
半導体基板上に、光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とを備えた撮像部を形成する工程と、
前記撮像部上に平坦化膜を形成する工程と、
前記平坦化膜上にパッシベーション膜を形成する工程と、
前記パッシベーション膜のレンズ形成面に溝部を形成する工程と、
前記溝部の形成されたパッシベーション膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをリフローする工程と、
レジストエッチバックにより層内レンズを形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像素子であって、
前記平坦化膜を形成する工程は、
無機絶縁膜を形成する工程と、
リフロー工程により平坦化する工程と、
平坦化された無機絶縁膜をエッチングして、表面レベルを下げる工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像素子であって、
前記無機絶縁膜を形成する工程は、ＢＰＳＧ膜を形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記層内レンズ上にカラーフィルタおよびマイクロレンズを形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に係り、特に固体撮像素子の高感度化に関する。
【背景技術】
【０００２】
エリアセンサ等の撮像デバイスであるＣＣＤを用いた固体撮像素子は、基本構造として、フォトダイオードなどの光電変換部と、この光電変換部からの電荷読み出し部と、読み出し電荷を転送するための電荷転送電極を備えた電荷転送部とを有する。この電荷転送電極は、半導体基板表面に形成された電荷転送チャネル上に複数個隣接して配置され、クロック信号で順次に駆動される。
【０００３】
近年、固体撮像素子においては、撮像画素数の増加により、画素の微細化が進んでいる。それに伴い光電変換部の微細化も進み高感度を維持することが、困難になってきている。
【０００４】
そこで、固体撮像素子表面に到達した光を効率よく光電変換部に集光するために集光レンズを形成する方法がある。
【０００５】
そのひとつに例えば、図７に示すように光電変換部を構成するフォトダイオード部３０の直上位置の平坦化層１０上にパッシベーション膜２０を形成し、この上層に層内レンズ２１を形成し、さらにその上層に平坦化膜２２、カラーフィルタ５０、平坦化膜７０、オンチップレンズ６０と順次形成した構造が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
この構造では図８（ａ）および（ｂ）にその製造工程を示すように、パッシベーション膜２０上にさらに層内レンズ２１となるレンズ基体を積層し、レジストパターンＲ０をマスクとしてエッチバックすることにより、パッシベーション膜２０上にさらに層内レンズ２１が積層された構造を形成する。
【０００７】
この構造では、電荷転送部によって形成される表面の凹凸を平坦化するために平坦化膜の膜厚は大きく、さらにその上層に、層内レンズ、平坦化膜、カラーフィルタ、平坦化膜、オンチップレンズと形成されるため、オンチップレンズから光電変換部までの距離が長く、感度が低下するという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−４０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、従来の構造では、オンチップレンズから光電変換部までの距離が長く、十分な感度を得ることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、集光効率の向上をはかり、高感度の固体撮像素子を提供することを目的とする。
また本発明では、製造が容易で高感度の固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された光電変換部と前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とを備えた撮像部と、前記撮像部上に、平坦化膜を介して形成されたパッシベーション膜と、層内レンズとを具備した固体撮像素子であって、前記層内レンズが、前記パッシベーション膜中に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
この構成により、従来パッシベーション膜上に形成されていた層内レンズをパッシベーション膜中に形成することにより、パッシベーション膜の膜厚分、光電変換部からの高さを低くすることができる。さらにまた表面の平坦化をはかることができるため、この上層の平坦化膜を薄く形成することができる。したがってオンチップレンズから光電変換部までの距離が大きく低減され、光の減衰を低減でき、固体撮像素子の高感度化をはかることができる。なお、この層内レンズはパッシベーション膜と同一工程で一体的に形成される。
【００１３】
また本発明の固体撮像素子は、前記層内レンズの周りが、前記層内レンズのレンズ軸上の高さとほぼ同一高さとなるように形成されたものを含む。
この構成により、パッシベーション膜の膜厚分だけ光電変換部までの距離が低減され、光の減衰を低減でき、固体撮像素子の高感度化をはかることができる。
【００１４】
また本発明の固体撮像素子は、前記パッシベーション膜および前記層内レンズは、窒化シリコン膜で構成されたものを含む。
この構成により、パッシベーション性も高く、光電変換部上では層内レンズがパッシベーション膜としての役割を果たすため、信頼性が向上する。
【００１５】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板上に、光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を転送する電荷転送部とを備えた撮像部を形成する工程と、前記撮像部上に平坦化膜を形成する工程と、前記平坦化膜上にパッシベーション膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜のレンズ形成面に溝部を形成する工程と、前記溝部の形成されたパッシベーション膜上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをリフローする工程と、レジストエッチバックにより層内レンズを形成する工程とを含む。
【００１６】
この構成によれば、溝部を形成する工程を付加するのみで、層内レンズをパッシベーション膜内に効率よく形成することができ、オンチップレンズから光電変換部までの距離が大きく低減され、光の減衰を低減でき、容易に高感度化を図ることが可能となる。
【００１７】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記平坦化膜を形成する工程が、無機絶縁膜を形成する工程と、リフロー工程により平坦化する工程と、平坦化された無機絶縁膜をエッチングして、表面レベルを下げる工程とを含む。
この構成によれば、平坦化後に平坦化膜をエッチングすることによって高さを低くすることができる。
【００１８】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記無機絶縁膜を形成する工程が、ＢＰＳＧ膜を形成する工程を含む。
この構成によれば良好に平坦化がなされ、より全体の高さを低減することができる。さらにまたこのＢＰＳＧ膜の形成に先立ち、プラズマＣＶＤ法で酸化シリコンまたは窒化シリコンを形成しておくことにより、ＢＰＳＧ膜から遮光膜への不純物の拡散を防止することができる。  
【００１９】
また本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記層内レンズ上にさらに有機物などからなる平坦化膜を介してカラーフィルタおよびマイクロレンズを形成する工程を含む。
この構成によれば、容易に高感度の固体撮像素子を形成することができる。
【００２０】
また平坦化膜を、窒化シリコン膜と、酸化シリコン膜または有機膜との積層膜で構成しても良い。
この構成により、より集光率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明では、層内レンズをパッシベーション膜内に形成することにより、光電変換部であるフォトダイオードまでの距離を低減することができ、高感度化をはかることができる。
また本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、層内レンズの形成に先立ち、パッシベーション膜に溝を形成するのみで、極めて容易にレンズを形成することができ、高感度の固体撮像素子を作業性よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は固体撮像素子の要部を示す断面図、図２は撮像領域の要部平面図である。図１は図２のＡ−Ａ断面である。この固体撮像素子は、光電変換部としてのフォトダイオード部３０上に、平坦化膜を介して形成される層内レンズ２１がパッシベーション膜２０中に形成され、この層内レンズの周りでパッシベーション膜が層内レンズのレンズ軸上の高さとほぼ同一高さとなるように形成されたことを特徴とする。
【００２４】
固体撮像素子の撮像部の上方には、酸化シリコン膜を介して形成されたＢＰＳＧ膜からなる第１の平坦化層１０を介して、上述したパッシベーション膜２０および層内レンズ２１が形成されており、さらにこの上層に第２の平坦化層２２、カラーフィルタ５０、第３の平坦化層７０、マイクロレンズ６０が順次積層して設けられる。
【００２５】
すなわち、この固体撮像素子は、図１に示すように、シリコン基板１に形成され、ｐｎ接合を有するフォトダイオード部３０と、ゲート酸化膜２上に形成された電荷転送電極３を備え、フォトダイオード部３０で生起された電荷を転送する電荷転送部４０とを具備している。
【００２６】
この固体撮像素子の撮像部は、図２に概略平面図を示すように、半導体基板上に複数のフォトダイオード部３０とフォトダイオード部３０で検出した信号電荷を転送するための電荷転送部４０が、フォトダイオード部３０の間に蛇行形状を呈するように形成される。電荷転送部４０によって転送される信号電荷が移動する電荷転送チャネルは、図２では図示していないが、電荷転送部４０が延在する方向と交差する方向に、やはり蛇行形状を呈するように形成される。
【００２７】
またシリコン基板１内にはｐウェル１２が形成され、このウェル内にｎ型不純物領域３１と、ｐ型不純物領域３２とでフォトダイオードが形成されている。
【００２８】
そしてこの電荷転送電極３の上層には酸化シリコン膜からなる絶縁膜４を介して窒化シリコン膜からなる反射防止膜５が形成されている。そしてこの上層はスパッタリング法により形成されたチタンナイトライド層を介して、フォトダイオード部３０の受光領域に開口を有する遮光層６としてのタングステン薄膜が形成されている。
【００２９】
次にこの固体撮像素子の製造工程について簡単に説明する。
フォトダイオードと電荷転送部については説明を省略するが通例の方法で形成される。
そして図３（ａ）に示すように、フォトダイオードおよび電荷転送電極の形成された基板１の表面にプラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜（図示せず）を形成し、ＣＶＤ法により、膜厚３００ｎｍのＢＰＳＧ膜（１０）を形成する。
【００３０】
この後、図３（ｂ）に示すように、炉アニールにより８００〜８５０℃に加熱し、ＢＰＳＧ膜をリフローすることにより、平坦化し、第１の平坦化層１０を得る。
【００３１】
そしてこの上層に、図３（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によりパッシベーション膜２０および層内レンズ２１となる膜厚０．２０μｍ程度の窒化シリコン膜を形成する。
【００３２】
さらにこの上層に、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィによりパターニングすることにより溝部を形成するためのレジストパターンＲ１を形成し、これをマスクとして異方性エッチング（ＲＩＥ）によりこの窒化シリコン膜をエッチングし図４（ｂ）に示すように、トレンチＴ形成する。
【００３３】
この後、図４（ｃ）に示すように、再度レジストを塗布し、フォトリソグラフィによりレンズ形成のためのレジストパターンＲ２を形成する。
そして、例えば１２０〜１４０℃の熱処理を施してリフローさせ、表面張力によってレジストパターンＲ２の角部を丸めて、凸状の層内レンズに好適な球面形状を形成し、その後、冷却して硬化する（図４（ｄ））。
【００３４】
そして、このレジストパターンＲ２をマスクとして、ドライエッチング（エッチング条件例：ＣＦ４／Ａｒ／Ｈｅ／Ｏ２＝７５／５００／２００／４０ｓｃｃｍ、圧力７０Ｐａ、ＲＦパワー９００Ｗ、基板を載置するステージ温度８０℃に設定）を行い、上記レジストパターンＲ２の球面形状と同じ曲率の球面形状をもつ窒化シリコン膜からなる層内レンズ２１が、パッシベーション膜２０内に形成されることになる（図４（ｅ））。
【００３５】
この後、通例の方法により、酸化シリコン膜（図示せず）を介して有機膜からなる第２の平坦化膜２２、順次Ｒ，Ｇ，Ｂの３色が並置されたカラーフィルタ５０、有機膜からなる第３の平坦化膜７０、レジストで形成された凸状のマイクロレンズ６０が形成され、図１に示した固体撮像素子が形成される。
【００３６】
本実施の形態によれば、従来パッシベーション膜上に形成されていた層内レンズをパッシベーション膜中に形成することにより、パッシベーション膜の膜厚である０．１５μｍ分、光電変換部からの高さを低くすることができ、さらに表面の平坦化をはかることができる。この上層の平坦化膜を薄く形成することができ、オンチップレンズから光電変換部までの距離を大幅に低減し、集光効率を高めることができるため、固体撮像素子の高感度化をはかることができる。
また、パッシベーション膜の形成後に層内レンズの外枠に対応する領域に、溝部Ｔを形成する工程を付加したのみで工数を増大することなく、層内レンズをパッシベーション膜中に形成することができ、極めて容易に高感度の固体撮像素子を形成することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態では、前記実施の形態１において説明したように、図５に示すように撮像部上に形成する第１の平坦化膜を平坦化後、エッチバックし、薄くし、さらにオンチップレンズであるマイクロレンズ６０からフォトダイオード部３０までの距離を低減したことを特徴とするものである。他部については実施の形態１と同様に形成する。ここで層内レンズがパッシベーション膜を構成する窒化シリコン膜で構成されているため、パッシベーション効果が十分に高く、平坦化膜を最小限に薄く形成することができる。
【００３８】
製造に際しては、図３（ａ）乃至（ｃ）に示した平坦化膜１０の形成工程を、図６（ａ）乃至（ｄ）に示すように変更したもので、平坦化後エッチバックを行い、膜厚を１．５μｍから１．０μｍ程度に縮減する工程図６（ｃ）を付加している。
【００３９】
すなわち図３（ａ）に示したのと同様に、図６（ａ）に示すようにフォトダイオードおよび電荷転送電極の形成された基板１の表面にプラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜（図示せず）を形成し、常圧熱ＣＶＤ法により、膜厚３００ｎｍのＢＰＳＧ膜（１０）を形成する。
【００４０】
この後、図６（ｂ）に示すように、炉アニールにより８００〜８５０℃に加熱し、ＢＰＳＧ膜をリフローすることにより、平坦化し、第１の平坦化層１０を得る。
【００４１】
そして、図６（ｃ）に示すように、エッチバック法により第１の平坦化層１０をエッチングし膜厚を３分の２程度の１μｍ程度まで縮減する。
そしてさらにこの上層に、図６（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法によりパッシベーション膜２０および層内レンズ２となる膜厚０．２０μｍ程度の窒化シリコン膜を形成する。後は図４（ａ）乃至（ｅ）と同様にして層内レンズを形成する。
【００４２】
概略は実施の形態１と同様であるが、第１の平坦化膜が実施の形態１では１．５μｍ程度であったものが、本実施の形態では１．０μｍ程度となった。
これによってもオンチップレンズから光電変換部までの距離を大幅に低減し、集光効率を高めることができるため、固体撮像素子の高感度化をはかることができる。
する。
【００４３】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内において、適宜可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上、説明したように本発明の固体撮像素子は、微細化に際しても集光効率を高めることができ、小型化が可能でかつ、製造が容易であることから、デジタルカメラ、携帯電話などに用いられる小型の撮像素子として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の断面概要図である。
【図２】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２の固体撮像素子の要部断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図７】従来例の固体撮像素子の断面概要図である。
【図８】従来例の固体撮像素子の製造工程の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１      シリコン基板
２      ゲート酸化膜
３      電荷転送電極
４      絶縁膜
５      反射防止膜
６      遮光膜
Ｒ０    レジストパターン
Ｒ１    レジストパターン
Ｒ２    レジストパターン
１０    第１の平坦化膜
２０    パッシベーション膜
２１    層内レンズ
２２    第２の平坦化膜
３０    フォトダイオード部
４０    電荷転送部
５０    カラーフィルタ
６０    マイクロレンズ
７０    平坦化層
【図１】
2006286873.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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